Sub-Millimeterwellen-Spektroskopie an Hochtemperatur-Supraleitern

Dähne, U.

Book/Report

FZJ-2019-01287

Sub-Millimeterwellen-Spektroskopie an Hochtemperatur-Supraleitern

Dähne, U. (Corresponding author)FZJ*

1996
Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag Jülich

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag, Berichte des Forschungszentrums Jülich 3174, 117 p. (1996)

Please use a persistent id in citations: http://hdl.handle.net/2128/21565

Report No.: Juel-3174

Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein quasioptisches Submillimeter-Wellen-Spektrometer in der Mach-Zehnder-Konfiguration für Frequenzen f=$\omega$/2$\pi$ von 100 bis 700 GHz aufgebaut, das über einen weiten Frequenzbereich kontinuierlich durchstimmbare Carzinotrons als Quellen verwendet. Mit diesem Spektrometer kann die Transmission einer in einem optischen Kryostaten bis auf 4 K abkühlbaren supraleitenden Dünnschichtprobe in Amplitude und Phase gemessen werden. Aus den frequenz- oder temperaturabhängigen Spektren kann der Real- und Imaginärteil der komplexen Leitfähigkeit $\sigma$ = $\sigma_{1}$ + i$\sigma_{2}$ direkt ohne Kramers-Kronig- oder Fourieranalyse bestimmt werden. Für den normalleitenden Zustand erhält man $\sigma_{1}$($\omega$,T), für den supraleitenden Zustand $\sigma_{1}$($\omega$,T) und absolute Werte für die Eindringtiefe $\lambda_{E}$($\omega$,T) = ($\omega \mu_{0}\sigma_{2})^{1/2}$. Daneben kann mit diesem Spektrometer der Real- und Imaginärteil der relativen komplexen Dielektrizitätszahl $\epsilon = \epsilon_{1} + \epsilon_{2}$ von dielektrischen Materialien im Submillimeter-Wellen-Bereich gemessen werden. Von den Hochtemperatur-Supraleiter-Substratmaterialien LaAlO$_{3}$, MgO, YSZ, NdGaO$_{3}$ und Al$_{2}$O$_{3}$ (Saphir) sowie von SiO$_{2}$ (Quarz) und TiO$_{2}$ (Rutil) wurde $\epsilon_{1}(\omega,$T) undder dielektrische Verlustwinkel tan$\delta(\omega$,T) = $\epsilon_{2}/\epsilon_{1}$ entlang der einzelnen kristallographischen Achsen bestimmt. Der Schwerpunkt der Arbeit lag auf der Charakterisierung von dünnen Schichten aus Hochtemperatur~Supraleitem im Submillimeter-Wellen-Bereich. Durch Sauerstoff-Hochdrucksputtem wurden epitaktische YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{7}$-Schichten auf NdGaO$_{3}$-Substraten präpariert. Während im gesamten Submillimeter-Wellen-Bereich im normalleitenden Zustand in Übereinstimmung mit Gleichstrommessungen ein linear mit der Temperatur abnehmender spezifischer Widerstand $\rho$(T)=$\sigma_{1}$(T)$^{-1}$gemessen wird, beobachtet man im supraleitenden Zustand ein frequenzabhängiges Maximum in $\sigma_{1}$(T), das für steigende Meßfrequenzen unter einer Verminderung des Absolutwertes dichter bei der Sprungtemperatur T$_{c}$ liegt. Die Auswertung der Messung der Oberflächenimpedanz an denselben Proben in einem dielektrischen Mikrowellenresonator bei 19 GHz ergibt ein Maximum in $\sigma_{1}$(T) bei ca. T$_{c}$/2 mit einem im Vergleich zu den Submillimeter-Wellen-Daten deutlich höheren Absolutwert. Für alle Frequenzen nähert sich $\lambda_{E}$(T) nach dem starken Abfallenunmittelbar unterhalb von T$_{c}$ dem im Submillimeter-Wellen-Bereich frequenzunabhängigen $\lambda_{E}$(O)-Wert, mit steigender Meßfrequenz wird das Temperaturverhalten von $\lambda_{E}$(T) im mittleren Temperaturbereich deutlich flacher. Die gemessenen $\sigma_{1}(\omega$,T)- und $\lambda_{E}(\omega$,T)-Abhängigkeiten lassen sich im Rahmen eines erweiterten Dreiflüssigkeitenmodells mit einem Drudeansatz für die normalleitenden Elektronen und einem Anteil von auch bei sehr niedrigen Temperaturen nicht paarenden Elektronen mit einem für den supraleitenden Zustand im Vergleich zum linearen Temperaturverhalten oberhalb von Tc deutlich stärkeren Abfallen der Quasiteilchenstreurate $\tau^{-1}$(T) erklären. Durch Sauerstoff-Hochdrucksputtern bzw.Laserablation hergestellte Bi$_{2}$Sr$_{2}$Ca$_{1}$Cu$_{2}$O$_{8}$-Schichten auf NdGaO$_{3}$ zeigen für $\sigma_{1}(\omega$,T) und $\lambda_{E}(\omega$,T) ein im Vergleich zu YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{7}$ ähnliches Verhalten bei niedrigeren $\sigma_{1}$(T)- und höheren $\lambda_{E}$(T)-Absolutwerten. Eine $\tau^{-1}$(T)-Auswertung im Rahmen des erweiterten Dreiflüssigkeitenmodells ist jedoch wegen der vermutlich präparationsbedingt ungewöhnlich großen $\lambda_{E}$(T)-Werte im Submillimeter-Wellen-Bereich problematisch. Durch Laserablation [...]

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